پیشگفتار:
اگر بخواهیم کوتاه به توضیح پیوند p-n (یا اتصال p-n) بپردازیم باید گفت که یک پیوند p-n ترکیبی از دو نوع ماده نیمه‌هادی، یکی نوع p و دیگری نوع n، در یک کریستال واحد است. سمت n (منظور negative) حاوی الکترون‌های آزاد در حال حرکت بوده، در حالی که سمت p (منظور positive) حاوی حفره‌های الکترونی آزاد در حال حرکت است. اتصال دو ماده باعث ایجاد یک ناحیه تخلیه در نزدیکی مرز اتصال می‌شود، زیرا الکترون‌های آزاد در نزدیکی مرز، حفره‌های موجود در این ناحیه را پر می‌کنند. نتیجه این رخداد (یعنی ایجاد یک ناحیه تخلیه در نزدیکی مرز اتصال) این است که جریان الکتریکی فقط در یک جهت می‌تواند از این پیوند عبور کند.
اما برای درک کامل پیوند p-n نیاز به بررسی بیشتری داریم. در ابتدا توصیه می‌شود در صورتی که مطلب ما با عنوان "نیمه‌هادی چیست و علت اهمیت آن در الکترونیک" را هنوز مطالعه نکرده‌اید، حتما پیش از خواندن ادامه این نوشتار سری به آن بزنید، چون برخی از مفاهیم کاملا ضروری برای درک این مطلب در آنجا توضیح داده شده‌اند و ما از توضیح دوباره آنها در این نوشته صرف‌نظر کرده‌ایم.
پیوند p-n بلوک سازنده اساسی عصر الکترونیک است و نماینده ساده‌ترین فرم یک دستگاه الکترونیکی نیمه‌هادی. پس برای آشنایی کامل با آن که پایه درک قطعات الکترونیکی‌ای چون دیود، ترانزیستور پیوندی دوقطبی، سلول‌های خورشیدی و ... است، تا انتهای این مطلب با ما همراه باشید.
چند نکته
حرکت الکترون‌ها و حفره‌ها
یک کریستال سیلیکون بسته به نوع آلایش (دوپینگ: doping)، الکترون‌ها یا حفره‌های متحرک خواهد داشت. از آنجایی که الکترون‌ها و حفره‌ها هر کدام حامل بار الکتریکی محسوب می‌شوند، طبیعتاً تحت تأثیر میدان‌های الکتریکی قرار می‌گیرند. نکته مهم دیگر، حرکت حرارتی تصادفی الکترون‌ها و حفره‌ها است. این نوع حرکت، جریان انتشاری (diffusive flow) نامیده می‌شود و در درک پیوند p-n مهم است که در ادامه به بررسی آن خواهیم پرداخت.
انتشار (Diffusion)
اگر معلمی چند قطره عطر را در جلوی کلاس درس بریزد، طولی نمی‌کشد که دانش‌آموزان در انتهای کلاس می‌توانند بوی آن را تشخیص دهند. در طول مدت زمانی طولانی، کلاس درس در نهایت حاوی توزیع یکنواختی از مولکول‌های عطر در هوا خواهد بود. این یک پدیده کاملاً تصادفی است: اتم‌های عطر به طور تصادفی حرکت می‌کنند تا در نهایت توزیع یکنواختی از مولکول‌های عطر در هوای کلاس درس وجود داشته باشد.
نمونه دیگر این پدیده را می‌توان در تصویر زیر مشاهده کرد که با ریختن رنگ در آب رخ می‌دهد. با گذشت زمان در آب توزیع یکنواختی از مولکول‌های رنگ را خواهیم داشت.
در یک کریستال سیلیکونی آلایش شده (doped) مثلا با فسفر (نیمه‌هادی نوع n)، الکترون‌های آزاد، مانند عطر در کلاس درس، به روشی کاملاً تصادفی در سراسر کریستال پخش می‌شوند تا زمانی که توزیع مساوی‌ای از الکترون‌های آزاد در سراسر حجم کریستال سیلیکونی نوع n وجود داشته باشد. در یک بلور سیلیکون آلایش شده مثلا با بور (نیمه‌هادی نوع p)، حفره‌ها به‌طور مساوی در سراسر حجم بلور نوع p توزیع می‌شوند.
تشکیل یک پیوند p-n
حال با آگاهی از دو نکته بخش قبل به سراغ بررسی یک پیوند p-n خواهیم رفت. آلایش (دوپینگ) یک طرف یک قطعه سیلیکون با بور (که می‌شود نیمه‌هادی نوع p) و طرف دیگر آن با فسفر (که می‌شود نیمه‌هادی نوع n) یک پیوند p-n را تشکیل می‌دهد. با‌این‌حال، فعلا (برای درک بهتر) دو قطعه سیلیکون جداگانه را در نظر بگیرید، یکی نوع n است و دیگری نوع p (شکل زیر را ببینید).
ماده نوع n تعداد زیادی الکترون آزاد (با بار منفی) دارد که می‌توانند در داخل ماده حرکت کنند. تعداد اتم‌های فسفر با بار مثبت (به نام یون‌های مثبت) که برای حرکت آزاد نیستند، دقیقاً تعداد و بار این الکترون‌های آزاد منفی را متعادل می‌کند. به‌طور مشابه، برای ماده نوع p، تعداد زیادی حفره آزاد (با بار مثبت) وجود دارد که می‌توانند در داخل ماده حرکت کنند. تعداد و بار مثبت آنها دقیقاً با تعداد اتم‌های بور با بار منفی (به نام یون‌های منفی) متعادل می‌شود. حال تصور کنید که مواد نوع n و نوع p به هم نزدیک شوند (مطابق شکل زیر).
جالب است ببینیم پس از اتصال این دو قطعه سیلیکون (تشکیل پیوند p-n)، چه اتفاقی برای الکترون‌ها و حفره‌ها می‌افتد. به‌دلیل آلایش کریستال سیلیکون، تعداد زیادی الکترون متحرک در سمت نوع n وجود دارد، اما تعداد بسیار کمی الکترون متحرک در سمت نوع p وجود دارد.
به‌دلیل حرکت حرارتی تصادفی الکترون‌های آزاد (پدیده انتشار که در بالا توضیح داده شد)، الکترون‌های سمت نوع n شروع به پخش شدن به سمت نوع p می‌کنند. هنگامی که آنها به نوع p نفوذ می‌کنند، در آنجا (و در نزدیکی محل اتصال) با حفره‌های الکترونی ترکیب می‌شوند و این‌گونه یکدیگر را خنثی می‌کنند.
به‌طور مشابه، به دلیل آلایش سیلیکون، تعداد زیادی حفره متحرک در سمت نوع p وجود دارد، اما تعداد بسیار کمی حفره متحرک در سمت نوع n وجود دارد. بنابراین، حفره‌های سمت نوع p شروع به پخش شدن به سمت نوع n می‌نمایند. برخی از حفره‌های مثبت در نوع p به نوع n نفوذ می‌کنند و در آنجا (و در نزدیکی محل اتصال) با الکترون‌های آزاد ترکیب شده و بنابراین یکدیگر را خنثی می‌کنند.
این فرآیند که الکترون‌ها در ماده نوع n به سمت نوع p پخش می‌شوند (و در آنجا با حفره‌های الکترونی ترکیب می‌شوند و این‌گونه یکدیگر را خنثی می‌کنند)، باعث ایجاد یون‌های فسفر با بار مثبت (در داخل ماده نوع n) در نزدیکی سطح مشترک بین نواحی n و p می‌شود (زیرا این اتم‌های فسفر که اکنون به‌واسطه از دست دادن الکترون به یون مثبت تبدیل شده‌اند بخشی از کریستال هستند و نمی‌توانند حرکت کنند). بنابراین، در نوع n، ناحیه‌ای نزدیک به محل اتصال مقدار ثابتی بار مثبت دارد.
به‌طور مشابه، حفره‌های مثبت در ناحیه نوع p که به سمت نوع n پخش می‌شوند، یون‌های بور با بار منفی را بر جای می‌گذارند (زیرا آنها بخشی از کریستال هستند و نمی‌توانند حرکت کنند). بنابراین، در نوع p، ناحیه‌ای نزدیک به محل اتصال بار منفی پیدا می‌کند (شکل زیر را مشاهده نمایید).
این یون‌های ثابت، درست در محل اتصال بین ماده نوع n و نوع p، یک میدان الکتریکی ایجاد می‌کنند. این میدان الکتریکی از یون‌های با بار مثبت در ماده نوع n به یون‌های با بار منفی در ماده نوع p اشاره دارد. الکترون‌های آزاد و حفره‌ها تحت تأثیر این میدان الکتریکی ذاتی (built-in) قرار می‌گیرند و الکترون‌ها به سمت یون‌های فسفر مثبت و حفره‌ها به سمت یون‌های بور منفی رانده می‌شوند.
بنابراین، میدان الکتریکی "ذاتی" باعث می‌شود برخی از الکترون‌ها و حفره‌ها در جهت مخالف جریان ناشی از پدیده انتشار جریان یابند (مطابق شکل زیر). در واقع میدان الکتریکی ایجاد شده تمایل دارد با انتشار بیشتر مقابله کند.
این جریان‌های مخالف (ناشی از انتشار و ناشی از میدان‌الکتریکی ذاتی) در نهایت به یک تعادل پایدار می‌رسند. جریان خالص الکترون‌ها در سراسر محل اتصال صفر است و جریان خالص حفره‌ها در سراسر محل اتصال نیز صفر است. این سوال مطرح می‌شود که «اگر هیچ جریان خالصی وجود نداشته باشد، پس چه فایده‌ای دارد؟» اگرچه هیچ جریان خالصی از محل اتصال عبور نمی‌کند، اما یک میدان الکتریکی در محل اتصال ایجاد شده است و همین میدان الکتریکی (در پیوند p-n) است که اساس عملکرد دیودها، ترانزیستورها و … را تشکیل می‌دهد.
ناحیه تخلیه
درون ناحیه تخلیه، الکترون‌ها و حفره‌های متحرک بسیار کمی وجود دارد. این ناحیه از بارهای متحرک "تهی" شده (به همین دلیل به آن ناحیه تخلیه گفته می‌شود) و تنها بارهای ثابت مرتبط با اتم‌های ناخالصی باقی می‌مانند. در نتیجه، ناحیه تخلیه بسیار مقاوم است و اکنون به‌گونه‌ای رفتار می‌کند که انگار سیلیکون کریستالی خالص بوده است: مانند یک عایق تقریباً کامل.
مقاومت ناحیه تخلیه را می‌توان با "اضافه کردن" یک میدان الکتریکی خارجی به میدان الکتریکی "داخلی" تغییر داد. اگر میدان الکتریکی "اضافه شده" در همان جهت میدان الکتریکی "داخلی" باشد، مقاومت ناحیه تخلیه بیشتر خواهد شد. اگر میدان الکتریکی "اضافه شده" در جهت مخالف میدان الکتریکی "داخلی" باشد، مقاومت ناحیه تخلیه کمتر خواهد شد. بنابراین می‌توان ناحیه تخلیه را به عنوان یک مقاومت کنترل شده با ولتاژ در نظر گرفت.
بررسی وضعیت پیوند p-n در بایاس‌های متفاوت
بایاس کردن (Biasing)
در این بخش می‌خواهیم ببینیم که اگر پیوند p-n توصیف شده در بخش قبل تحت بایاس‌های متفاوت قرار داده شود، در هر حالت چه اتفاقی رخ می‌دهد. در واقع با این بررسی با نحوه عملکرد پیوند p-n بیشتر آشنا خواهیم شد. پیش از ادامه دادن به این بحث بد نیست بدانیم که در الکترونیک، "بایاس کردن" معمولاً به یک ولتاژ یا جریان DC (ثابت) اطلاق می‌شود که به ترمینال (پایه) یک قطعه الکترونیکی مانند دیود، ترانزیستور یا لامپ خلاء، در مداری که سیگنال‌های AC نیز در آن وجود دارند، اعمال می‌شود تا شرایط عملیاتی مناسب برای آن قطعه ایجاد شود.
بسیاری از دستگاه‌های الکترونیکی، مانند موارد ذکر شده در بالا، که عملکرد آنها پردازش سیگنال‌های متغیر با زمان (AC) است، برای عملکرد صحیح به جریان یا ولتاژ ثابت (DC) در ترمینال‌های (پایه‌های) خود نیز نیاز دارند. این جریان یا ولتاژ، بایاس (bias) نامیده می‌شود.
بایاس مستقیم
اگر یک ولتاژ مثبت به سمت نوع p و یک ولتاژ منفی به سمت نوع n (از پیوند p-n) اعمال شود، جریان می‌تواند (بسته به بزرگی ولتاژ اعمال شده) جاری شود. این پیکربندی "بایاس مستقیم" نامیده می‌شود (شکل ۵ را ببینید).
در این حالت، در پیوند p-n، میدان الکتریکی "داخلی" و میدان الکتریکی اعمال شده در جهت مخالف یکدیگر هستند. وقتی این دو میدان با هم جمع می‌شوند، میدان حاصل در محل اتصال از نظر بزرگی کوچکتر از بزرگی میدان الکتریکی "داخلی" اولیه می‌شود. این امر منجر به یک ناحیه تخلیه نازک‌تر و با مقاومت کمتر می‌گردد. اگر ولتاژ اعمال شده به اندازه کافی بزرگ باشد، مقاومت ناحیه تخلیه ناچیز می‌شود. در سیلیکون، این اتفاق در حدود ۰.۶ ولت بایاس مستقیم رخ می‌دهد. از ۰ تا ۰.۶ ولت، هنوز مقاومت قابل توجهی به دلیل ناحیه تخلیه وجود دارد. بالاتر از ۰.۶ ولت، مقاومت ناحیه تخلیه بسیار کوچک است و جریان عملاً بدون مانع جاری می‌شود.
بایاس معکوس
اگر یک ولتاژ منفی در سمت نوع p و یک ولتاژ مثبت در سمت نوع n (از پیون p-n) اعمال شود، هیچ جریانی جاری نمی‌گردد (یا جریانی فوق‌العاده کوچک جریان می‌یابد). این پیکربندی "بایاس معکوس" نامیده می‌شود (شکل 6 را ببینید).
در این حالت، در محل پیوند p-n، میدان الکتریکی "داخلی" و میدان الکتریکی اعمال شده در یک جهت هستند. هنگامی که این دو میدان با هم جمع می‌شوند، میدان الکتریکی بزرگتر حاصل در همان جهت میدان الکتریکی "داخلی" قرار می‌گیرد و این یک ناحیه تخلیه ضخیم‌تر و با مقاومت بیشتر را ایجاد می‌کند. اگر ولتاژ اعمال شده بزرگتر شود، ناحیه تخلیه ضخیم‌تر و با مقاومت بیشتر می‌شود.
در واقعیت، مقداری جریان همچنان از این مقاومت عبور می‌کند، اما مقاومت آنقدر زیاد است که می‌توان جریان را صفر در نظر گرفت. با بزرگتر شدن ولتاژ بایاس معکوس اعمال شده، جریان در یک مقدار ثابت اما بسیار کوچک اشباع خواهد شد. این جریان تقریباً 10 به توان 12- آمپر در هر سانتی‌متر مربع از سطح پیوند p-n است.
پسگفتار
یکی از کلیدهای حیاتی برای ورود به حوزه الکترونیک حالت جامد، پیوند p-n است. همان‌طور که در این نوشتار گفته شد وقتی مواد نوع p و نوع n در تماس با یکدیگر قرار می‌گیرند، پیوند p-n حاصل بسیار متفاوت از هرکدام از آن دو نوع ماده (زمانی که آنها را به‌تنهایی مورد بررسی قرار می‌دهیم) رفتار می‌کند.
به‌طور خاص، جریان به راحتی در یک جهت (در بایاس مستقیم) در پیوند p-n جریان می‌یابد اما در جهت دیگر (بایاس معکوس) جریان نمی‌یابد. در واقع یک پیوند p-n به‌خودی‌خود، وقتی از دو طرف به یک مدار متصل شود، یک دیود است (که در نوشته دیگری به آن خواهیم پرداخت). قطعات مداری پیچیده‌تری را می‌توان با ترکیب‌های بیشتر نیمه‌هادی‌های نوع p و نوع n ایجاد کرد. برای مثال، ترانزیستور پیوندی دوقطبی (BJT) یک نیمه‌هادی به شکل n-p-n یا p-n-p است که در مطلبی دیگر در مورد آن بحث خواهیم کرد.
در این مطلب تلاش شد که درک لازم از پیوند p-n فراهم شود زیرا با تسلط بر آن می‌توان به‌راحتی از نحوه کار سایر قطعاتی که براساس آن ساخته شده‌اند آگاه شد که انشاءالله در آینده در سایر نوشته‌های سایت به بررسی آنها می‌پردازیم.
